JP6419901B1 - レーザ加工機 - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】プロファイル選択器３１は、入射されるレーザ光を屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザ光を射出する。コリメートレンズ３３は、入射される拡散光のレーザ光をコリメート光に変換する。集束レンズ３６は、コリメートレンズ３３より射出されたコリメート光を集束させて、加工対象の板金Ｗに照射する。移動機構３４は、集束レンズ３６より射出された集束光のプロファイル選択器３１によるビームプロファイルの選択に伴う焦点位置のずれを軽減するように、コリメートレンズ３３を光軸に沿って移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光によって金属の板（板金）を加工するレーザ加工機に関する。
レーザ発振器より射出されたレーザ光によって金属の板金を切断または溶接したり、板金に対してマーキングを施したりするよう加工するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機には、種々のレーザ発振器が用いられる。比較的板厚の薄い板金を高速に切断加工するためには、例えばファイバレーザ発振器がよく用いられる。
特表２０１５−５００５７１号公報 国際公開第２０１１／１２４６７１号
レーザ加工機は、板金に照射されるレーザビームのビームプロファイルを板金の加工条件に応じて適切に設定する必要がある。特許文献１及び２には、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機が記載されている。
特許文献１及び２に記載のビームプロファイルを選択するための構成は煩雑であり、簡易で安価な構成でビームプロファイルを選択することができるレーザ加工機が望まれる。
本発明は、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。
本発明は、入射されるレーザ光を屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザ光を射出するプロファイル選択器と、入射される拡散光のレーザ光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、前記集束レンズより射出された集束光の前記プロファイル選択器によるビームプロファイルの選択に伴う焦点位置のずれを軽減するように、前記コリメートレンズを光軸に沿って移動させる移動機構とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。
本発明のレーザ加工機によれば、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができる。
第１実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 図１におけるプロファイル選択器３１及び回転機構３２の構成例を示す平面図である。 プロファイル選択器３１が備えるビーム成形レンズ３１３（ファセットレンズ）の構成例を示す平面図である。 プロファイル選択器３１が備えるビーム成形レンズ３１４（アキシコンレンズ）の構成例を示す側面図である。 図１における移動機構３４の構成例を示す側面図である。 第１実施形態のレーザ加工機において、プロファイル選択器３１がレーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定している状態を示す図である。 レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態のプロファイル選択器３１を示す平面図である。 第１実施形態のレーザ加工機において、プロファイル選択器３１がレーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定している状態を示す図である。 レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態のプロファイル選択器３１を示す平面図である。 第２実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 第３実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 第４実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 第１〜第４実施形態のレーザ加工機の変形例である矩形状のプロファイル選択器３１０を示す図である。
以下、第１〜第４実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。第１〜第４実施形態のレーザ加工機において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。
＜第１実施形態＞
図１において、レーザ加工機１００は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ光を加工対象の板金Ｗに照射して板金Ｗを加工する加工ヘッド３０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザ光を加工ヘッド３０へと伝送するプロセスファイバ２０とを備える。また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、レーザ発振器１０及び加工ヘッド３０を制御するＮＣ装置５０とを備える。ＮＣ装置５０は、制御装置の一例である。
レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザ光を射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザ光を直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。
レーザ発振器１０は、一点鎖線で示すように、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザ光を射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザ光を射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を射出する。
加工ヘッド３０は、板金Ｗに照射されるレーザビームのビームプロファイルを選択するプロファイル選択器３１と、プロファイル選択器３１を回転させて、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択するための回転機構３２とを備える。ビームプロファイルとはレーザ光を断面で見たときの強度分布を示す特性である。
プロセスファイバ２０の射出端２０ｅより射出されるレーザ光は拡散光であり、プロファイル選択器３１に入射される。図１に示すように、プロセスファイバ２０より射出されるレーザ光のビームプロファイルは、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなるガウシアン型である。
プロファイル選択器３１から射出されたレーザ光はコリメートレンズ３３に入射される。コリメートレンズ３３は、入射された拡散光のレーザ光を平行光化してコリメート光とする。後述するように、コリメートレンズ３３は、移動機構３４によって光軸方向に移動自在に構成されている。
コリメートレンズ３３から射出されたコリメート光はベンドミラー３５に入射される。ベンドミラー３５は、入射されたレーザ光の方向を９０度曲げ、集束レンズ３６に入射させる。集束レンズ３６は、焦点位置が板金Ｗの表面またはその近傍となるようコリメート光を集束して、集束光を板金Ｗに照射する。
図示を省略しているが、加工ヘッド３０は、板金Ｗの表面と所定の距離だけ離れた状態で、板金Ｗの表面に沿って移動自在に構成されている。
図２に示すように、プロファイル選択器３１は、ビームを成形しない円形のガラス板３１２と、２種類の円形のビーム成形レンズ３１３及び３１４とが嵌め込まれた円形のベース板３１１を備える。ベース板３１１は例えばアルミニウムの金属板である。ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径は１０ｍｍ程度でよい。
ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４は、それぞれの円の中心が１つの円周上に位置するようにベース板３１１に配置されている。ベース板３１１の外周部には歯が形成されている。
回転機構３２は、ベース板３１１の歯と噛み合うギア３２１と、ギア３２１を回転させることによってベース板３１１を回転させるモータ３２２とを備える。モータ３２２を回転させることによってベース板３１１がベース板３１１の中心を回転軸として回転し、レーザ光の光軸上に、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とのいずれかを選択的に位置させることができる。
レーザ光の光軸上にガラス板３１２が位置しているとき、ガラス板３１２はビームを成形しないため、プロファイル選択器３１はガウシアン型のビームをそのまま射出する。図２において、一点鎖線の円で示すＬＢはビームの断面を示している。ベース板３１１にガラス板３１２を嵌め込む代わりに、ビームをそのまま通過させる開口を形成してもよい。
プロファイル選択器３１は、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形することなくガウシアン型のレーザ光として射出する非ビーム成形部を有すればよい。ガラス板３１２または開口は非ビーム成形部である。図２では、プロファイル選択器３１は２種類のビーム成形レンズ３１３及び３１４を有するが、いずれか一方のみとすることができる。
図１は、プロファイル選択器３１が、レーザ光の光軸上にガラス板３１２が位置するように設定されている状態を示している。よって、板金Ｗにはガウシアン型のビームが照射されて、板金Ｗが加工される。板金Ｗに照射されるビームの焦点位置は、プロファイル選択器３１が図１の状態で最適な位置に設定されているとする。
ビーム成形レンズ３１３は一例としてファセットレンズである。図３に示すように、ファセットレンズであるビーム成形レンズ３１３は、凸レンズの表面（レーザ光の入射面）に複数の六角形状の平面３１３０が形成されたレンズである。ビーム成形レンズ３１３は、図３に示す形状に限定されることはなく、凸レンズの表面に複数の四角形状の平面を有する構成であってもよい。ビーム成形レンズ３１３は、レーザ光の入射面に、四角形以上の多角形の複数の平面が形成されたファセットレンズであればよい。なお、ファセットレンズは複眼レンズであって、集束位置において、複数のファセット（小平面）状の光強度面が生じればよい。
ビーム成形レンズ３１４は一例としてアキシコンレンズである。図４に示すように、アキシコンレンズであるビーム成形レンズ３１４は、レーザ光の入射面３１４１が平面、レーザ光の射出面３１４２が円錐状となっている回転対称プリズムである。
図５は、コリメートレンズ３３を光軸方向に移動させる移動機構３４の概略的な構成の一例を示している。移動機構３４は例えばボールねじを有して構成される。コリメートレンズ３３は、内周面に雌ねじが形成されたナットとして機能する保持部３４３と、シャフト３４５が貫通する保持部３４４によって保持されている。ねじ軸３４１表面の雄ねじと保持部３４３の雌ねじとは、ボールを介して噛み合っている。モータ３４２を回転させることによって、コリメートレンズ３３がねじ軸３４１及びシャフト３４５に沿って移動する。
移動機構３４は、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか（またはこれらの任意の組み合わせ）と、モータ等の駆動部とで構成されていればよい。移動機構３４の構成は任意である。
図６は、プロファイル選択器３１が、図７に示すように、レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態を示している。ビーム成形レンズ３１３は、入射されるレーザ光を屈折させることにより、ガウシアン型のビームを中央部が平坦状のビームプロファイルであるトップハット型（フラットトップ型）のビームに変換する。
ビーム成形レンズ３１３がガウシアン型のビームをトップハット型のビームに変換するとビーム径が拡大するため、コリメートレンズ３３が図１と同じ位置に位置していると、板金Ｗに照射されるレーザ光の焦点位置は図１における焦点位置よりも上方に移動する。そこで、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を光軸と平行方向にプロファイル選択器３１側へと移動させる。
例えば、ＮＣ装置５０は、ビーム成形レンズ３１３によってビーム径が拡大された分だけビーム径を縮小するよう、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をプロファイル選択器３１側へと移動させる。このようにすれば、図６において、板金Ｗには、図１における焦点位置と同じ焦点位置でトップハット型のビームが照射される。
プロファイル選択器３１が、レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１３が位置するように設定されている状態において、焦点位置を図１における焦点位置と意図的に異ならせることがあってもよい。
移動機構３４は、集束レンズ３６より射出された集束光のプロファイル選択器３１によるビームプロファイルの選択に伴う焦点位置のずれを軽減するように、コリメートレンズ３３を光軸に沿って移動させればよい。
なお、板金Ｗに照射されるビームの焦点位置が、プロファイル選択器３１が図６の状態で最適な位置に設定されているとし、プロファイル選択器３１を図１の状態に切り替えたとすれば、焦点位置は図６における焦点位置よりも下方に移動する。この場合、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をベンドミラー３５側へと移動させればよい。
図８は、プロファイル選択器３１が、図９に示すように、レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態を示している。ビーム成形レンズ３１４は、入射されるレーザ光を屈折させることにより、ガウシアン型のビームを、中央部の強度が低く周辺部の強度が強いリング状のビームプロファイルであるリング型（ドーナツ型）のビームに変換する。
同様に、ビーム成形レンズ３１４がガウシアン型のビームをリング型のビームに変換するとビーム径が拡大するため、コリメートレンズ３３が図１と同じ位置に位置していると、板金Ｗに照射されるレーザ光の焦点位置は図１における焦点位置よりも上方に移動する。そこで、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を光軸と平行方向にプロファイル選択器３１側へと移動させる。
図８において、ＮＣ装置５０が、ビーム成形レンズ３１４によってビーム径が拡大された分だけビーム径を縮小するようコリメートレンズ３３をプロファイル選択器３１側へと移動させれば、板金Ｗには、図１における焦点位置と同じ焦点位置でリング型のビームが照射される。
プロファイル選択器３１が、レーザ光の光軸上にビーム成形レンズ３１４が位置するように設定されている状態において、焦点位置を図１における焦点位置と意図的に異ならせることがあってもよい。
なお、板金Ｗに照射されるビームの焦点位置が、プロファイル選択器３１が図８の状態で最適な位置に設定されているとし、プロファイル選択器３１を図１の状態に切り替えたとすれば、焦点位置は図８における焦点位置よりも下方に移動する。この場合も、ＮＣ装置５０は、移動機構３４によってコリメートレンズ３３をベンドミラー３５側へと移動させればよい。
ビーム成形レンズ３１３を使用するときとビーム成形レンズ３１４を使用するときとで焦点位置が変化して、焦点位置を調整する必要がある場合には、移動機構３４によってコリメートレンズ３３を移動させればよい。
＜第２実施形態＞
図１０に示すように、プロファイル選択器３１をコリメートレンズ３３とベンドミラー３５との間に配置してもよい。プロファイル選択器３１をコリメートレンズ３３とベンドミラー３５との間に配置すると、プロファイル選択器３１に入射されるレーザ光のビーム径が大きくなる。よって、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径を２０〜２５ｍｍ程度とする必要がある。
前述のように第１実施形態によれば、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径は１０ｍｍ程度でよく、第１実施形態の方が低コストで実現できる。よって、第２実施形態よりも第１実施形態の方が好ましい。
＜第３実施形態＞
図１１に示すように、プロファイル選択器３１をベンドミラー３５と集束レンズ３６との間に配置してもよい。この場合も、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径を２０〜２５ｍｍ程度とする必要がある。よって、第３実施形態よりも第１実施形態の方が好ましい。
＜第４実施形態＞
図１２に示すように、プロファイル選択器３１を集束レンズ３６と板金Ｗとの間に配置してもよい。この場合も、ガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４の直径を２０〜２５ｍｍ程度とする必要がある。よって、第４実施形態よりも第１実施形態の方が好ましい。
以上の第１〜第４実施形態における変形例として、次のように構成してもよい。図１３に示すように、レーザ加工機１００は、円形のプロファイル選択器３１の代わりに、矩形状のベース板３１５にガラス板３１２とビーム成形レンズ３１３及び３１４とを直線状に配列させたプロファイル選択器３１０を用いてもよい。この場合、レーザ加工機１００は、回転機構３２の代わりに、プロファイル選択器３１０をスライドさせる移動機構３７を設ければよい。移動機構３７は、図５に示す移動機構３４と同様の構成でよい。
以上の第１〜第４実施形態において、オペレータは、操作部４０を操作してＮＣ装置５０に対して板金Ｗの材質、板厚、加工方法の設定することができる。ＮＣ装置５０は、板金Ｗの材質、板厚、加工方法の少なくとも１つに応じて、プロファイル選択器３１（または３１０）によって最適なビームプロファイルを選択する。ＮＣ装置５０は、板金Ｗの材質、板厚、加工方法のうちの２つの任意の組み合わせに応じて最適なビームプロファイルを選択してもよい。
ＮＣ装置５０は、板金Ｗが板厚４ｍｍ未満の薄板であるとき、ビーム径が小さく、エネルギ密度の高い、例えば図１に示すガウシアン型のビームプロファイルを選択するのがよい。このようにすると、レーザ加工機１００は、板金Ｗを高速に切断することができる。
ＮＣ装置５０は、板金Ｗがステンレスまたはアルミニウムで板厚４ｍｍ以上であるとき、図５Ａに示すトップハット型のビームプロファイルを選択するのがよい。トップハット型のビームプロファイルは、溶接または焼き入れにも好適である。
ＮＣ装置５０は、板金Ｗが軟鋼で板厚９ｍｍ以上の厚板であるとき、図６に示すリング型のビームプロファイルを選択するのがよい。
以上のように、第１〜第４実施形態のレーザ加工機によれば、プロファイル選択器３１または３１０によって、レーザ光の光軸上に非ビーム成形部（ガラス板３１２または開口）と第１または第２ビーム成形レンズ（３１３または３１４）を選択的に位置させるのみで、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択することができる。特許文献１及び２に記載の構成と比較して簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金Ｗを加工することができる。
本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。
１０ レーザ発振器
２０ プロセスファイバ
３０ 加工ヘッド
３１，３１０ プロファイル選択器
３２ 回転機構
３３ コリメートレンズ
３４ 移動機構
３５ ベンドミラー
３６ 集束レンズ
４０ 操作部
５０ ＮＣ装置
３１２ ガラス板（非ビーム成形部）
３１３ ビーム成形レンズ（ファセットレンズ）
３１４ ビーム成形レンズ（アキシコンレンズ）
Ｗ 板金

Claims (6)

  1. 入射されるレーザ光を屈折させることによりビームプロファイルを変換するビーム成形レンズを少なくとも１つ有し、複数のビームプロファイルのうちから選択されたビームプロファイルを有するレーザ光を射出するプロファイル選択器と、
    入射される拡散光のレーザ光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、
    前記コリメートレンズより射出されたコリメート光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、
    前記集束レンズより射出された集束光の前記プロファイル選択器によるビームプロファイルの選択に伴う焦点位置のずれを軽減するように、前記コリメートレンズを光軸に沿って移動させる移動機構と、
    を備えることを特徴とするレーザ加工機。
  2. 前記プロファイル選択器に入射されるレーザ光のビームプロファイルはガウシアン型であり、
    前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形することなくガウシアン型のレーザ光として射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形してトップハット型に変換するビーム成形レンズとしてのファセットレンズとを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  3. 前記プロファイル選択器に入射されるレーザ光のビームプロファイルはガウシアン型であり、
    前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形することなくガウシアン型のレーザ光として射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形してリング型に変換するビーム成形レンズとしてのアキシコンレンズとを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  4. 前記プロファイル選択器に入射されるレーザ光のビームプロファイルはガウシアン型であり、
    前記プロファイル選択器は、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形することなくガウシアン型のレーザ光として射出する非ビーム成形部と、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形してトップハット型に変換する第１のビーム成形レンズとしてのファセットレンズと、ガウシアン型のレーザ光をビーム成形してリング型に変換する第２のビーム成形レンズとしてのアキシコンレンズとを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
  5. 前記プロファイル選択器は、前記非ビーム成形部と前記ファセットレンズと前記アキシコンレンズとが１つの円周上に位置するように配置されたベース板を有し、
    前記プロファイル選択器より射出されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とトップハット型とリング型とのうちから選択するために、前記ベース板を回転させる回転機構をさらに備える
    ことを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工機。
  6. 前記コリメートレンズには、レーザ発振器より射出されたレーザ光を伝送するプロセスファイバの射出端より射出された拡散光のレーザ光が入射され、
    前記プロファイル選択器は、前記射出端と前記コリメートレンズとの間に配置されている
    ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
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